(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-07-28
(45)【発行日】2023-08-07
(54)【発明の名称】コバルト回収方法
(51)【国際特許分類】
C22B 23/00 20060101AFI20230731BHJP
B09B 3/70 20220101ALI20230731BHJP
C22B 3/06 20060101ALI20230731BHJP
C22B 3/26 20060101ALI20230731BHJP
C22B 3/44 20060101ALI20230731BHJP
C22B 7/00 20060101ALI20230731BHJP
H01M 10/54 20060101ALI20230731BHJP
【ＦＩ】
C22B23/00 102
B09B3/70
C22B3/06
C22B3/26
C22B3/44 101A
C22B3/44 101Z
C22B7/00 C
H01M10/54
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2020039962
(22)【出願日】2020-03-09
(65)【公開番号】P2021139029
(43)【公開日】2021-09-16
【審査請求日】2022-12-07
(73)【特許権者】
【識別番号】000143972
【氏名又は名称】株式会社ササクラ
(74)【代理人】
【識別番号】110000796
【氏名又は名称】弁理士法人三枝国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】三保 慶明
(72)【発明者】
【氏名】竹内 高穂
(72)【発明者】
【氏名】平野 悟
(72)【発明者】
【氏名】横山 佳帆
(72)【発明者】
【氏名】石田 和彦
【審査官】中西 哲也
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１３－１９４２６９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－３２３８６８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１３２５６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－１９７４９２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０３６４７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－２７７８６８（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１５２７９７（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ２２Ｂ １／００－６１／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
コバルト及び銅が少なくとも溶解した酸性の被処理液にアルカリを添加してｐＨを７以上に調整する１次ｐＨ調整工程と、前記１次ｐＨ調整工程で析出するコバルト塩の結晶及び銅塩の結晶を含む析出物を前記被処理液から分離する１次コバルト分離工程と、
前記１次コバルト分離工程で分離される析出物を無機酸の添加により溶解する再溶解工程と、
前記再溶解工程で得られる再溶解液に対して抽出剤を用いた溶媒抽出を行い、該再溶解液から銅を分離する溶媒抽出工程と、
前記溶媒抽出工程後の再溶解液にアルカリを添加してｐＨを７以上に調整する２次ｐＨ調整工程と、
前記２次ｐＨ調整工程で析出するコバルト塩の結晶を含む析出物を前記再溶解液から分離する２次コバルト分離工程と、
を含む、コバルト回収方法。
【請求項2】
前記溶媒抽出工程後の銅を抽出した抽出剤に対して無機酸を用いた逆抽出を行い、該抽出剤から銅を分離する逆抽出工程をさらに含み、前記逆抽出工程後の抽出剤を前記溶媒抽出工程で用いる抽出剤として再利用する、請求項１に記載のコバルト回収方法。
【請求項3】
廃リチウムイオン電池を無機酸で浸出してコバルト及び銅を溶解することにより前記被処理液を得る酸浸出工程をさらに含む、請求項１又は２に記載のコバルト回収方法。
【請求項4】
前記１次ｐＨ調整工程では、前記被処理液及にアルカリを添加してｐＨを４以上７以下に調整し、これにより析出した析出物を分離した後の前記被処理液にアルカリを添加してｐＨを７以上に調整する、請求項１から３のいずれかに記載のコバルト回収方法。
【請求項5】
被処理液にリチウムが溶解しており、前記１次コバルト分離工程後の被処理液を蒸発濃縮する濃縮工程と、
前記濃縮工程後の被処理液に炭酸ガスを混合する及び／又は水溶性の炭酸塩を添加する炭酸化工程と、
前記炭酸化工程で析出する炭酸リチウムの結晶を含む析出物を前記被処理液から分離するリチウム分離工程と、
をさらに含む、請求項１から４のいずれかに記載のコバルト回収方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、コバルト及び銅が少なくとも溶解した被処理液からコバルトを回収するコバルト回収方法、特に、廃リチウムイオン電池からコバルトを回収する際に用いられるコバルト回収方法に関する。
【背景技術】
【0002】
リチウムイオン電池は、軽量かつ高エネルギー密度の電池として注目されており、各種携帯機器、電気自動車、電動アシスト自転車などのバッテリーとして大量に使用されている。このリチウムイオン電池の正極には、正極活物質として例えばコバルト酸リチウムなどのリチウム遷移金属酸化物が使用されており、廃リチウムイオン電池から有価金属のコバルトを回収することは資源の有効利用の観点から極めて重要である。
【0003】
廃リチウムイオン電池からコバルトを回収する方法として、廃リチウムイオン電池を酸で浸出してコバルトを溶解し、コバルトが溶解した被処理液からコバルトを分離して回収することが従来から行われている。しかし、廃リチウムイオン電池には鉄やアルミニウム、銅などの不純物金属が含まれており、酸浸出によってこれらの不純物金属も被処理液に溶解することで、目的回収物であるコバルトに不純物金属が混入して、品質を低下させる。よって、被処理液中に不純物金属が含まれている場合は、これを除去する必要がある。
【0004】
不純物金属の中の銅を除去する方法として、例えば特許文献１では、廃リチウムイオン電池を酸で浸出した被処理液に対して溶媒抽出することで被処理液から銅を分離している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２０１４－１６２９８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、廃リチウムイオン電池を酸で浸出した被処理液の全量を溶媒抽出している。そのため、被処理液を溶媒抽出するための抽出剤が多量に必要であり、廃リチウムイオン電池の量及び酸浸出に使用した酸の量に応じて抽出剤の量が増加すると、抽出剤のコストが多大にかかり、経済的ではない。
【0007】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、コバルト及び銅が少なくとも溶解した被処理液からコバルトを高純度かつ低コストで回収することができるコバルト回収方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明のコバルト回収方法は、コバルト及び銅が少なくとも溶解した酸性の被処理液にアルカリを添加してｐＨを７以上に調整する１次ｐＨ調整工程と、前記１次ｐＨ調整工程で析出するコバルト塩の結晶及び銅塩の結晶を含む析出物を前記被処理液から分離する１次コバルト分離工程と、前記１次コバルト分離工程で分離される析出物を無機酸の添加により溶解する再溶解工程と、前記再溶解工程で得られる再溶解液に対して抽出剤を用いた溶媒抽出を行い、該再溶解液から銅を分離する溶媒抽出工程と、前記溶媒抽出工程後の再溶解液にアルカリを添加してｐＨを７以上に調整する２次ｐＨ調整工程と、前記２次ｐＨ調整工程で析出するコバルト塩の結晶を含む析出物を前記再溶解液から分離する２次コバルト分離工程と、を含むことを特徴とする。
【0009】
本発明のコバルト回収方法においては、前記溶媒抽出工程後の銅を抽出した抽出剤に対して無機酸を用いた逆抽出を行い、該抽出剤から銅を分離する逆抽出工程をさらに含み、前記逆抽出工程後の抽出剤を前記溶媒抽出工程で用いる抽出剤として再利用するように、構成することができる。
【0010】
また、本発明のコバルト回収方法においては、廃リチウムイオン電池を無機酸で浸出してコバルト及び銅を溶解することにより前記被処理液を得る酸浸出工程をさらに含むように、構成することができる。
【0011】
また、本発明のコバルト回収方法においては、前記１次ｐＨ調整工程では、前記被処理液及にアルカリを添加してｐＨを４以上７以下に調整し、これにより析出した析出物を分離した後の前記被処理液にアルカリを添加してｐＨを７以上に調整するように、構成することができる。
【0012】
また、本発明のコバルト回収方法においては、被処理液にリチウムが溶解しており、前記１次コバルト分離工程後の被処理液を蒸発濃縮する濃縮工程と、前記濃縮工程後の被処理液に炭酸ガスを混合する及び／又は水溶性の炭酸塩を添加する炭酸化工程と、前記炭酸化工程で析出する炭酸リチウムの結晶を含む析出物を前記被処理液から分離するリチウム分離工程と、をさらに含むように、構成することができる。
【発明の効果】
【0013】
本発明のコバルト回収方法によれば、コバルト及び銅が溶解した被処理液からコバルトを高純度かつ低コストで回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本実施形態のコバルト回収方法の手順を示すフローチャートである。
【図2】被処理液に含まれるリチウムを回収する方法の手順を示すフローチャートである。
【図4】バイポーラ膜電気透析装置の概略構成を示す模式図である。
【図5】他の実施形態のコバルト回収方法の手順を概略的に示すフローチャートである。
【図7】実施例１のろ過残渣の表面状態を撮影した写真である。
【図8】実施例２のろ過残渣の表面状態を撮影した写真である。
【図9】実施例３のろ過残渣の表面状態を撮影した写真である。
【図10】他の実施形態のコバルト回収方法の手順を概略的に示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明の実態形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本実施形態のコバルト回収方法の各工程の手順を示し、図２は、本実施形態のコバルト回収方法を実施する処理装置の概略構成を示す。本実施形態のコバルト回収方法は、コバルト及び不純物金属として銅を少なくとも含む酸性の被処理液からコバルトを回収するのに好適に用いることができ、特に、廃リチウムイオン電池からコバルトを回収するのに好適に用いることができる。以下では、廃リチウムイオン電池からコバルト、さらにはリチウムを回収する場合を例にして説明する。
【0016】
本実施形態のコバルト回収方法は、
‐廃リチウムイオン電池を無機酸で浸出してコバルト及び銅、さらにはリチウムを少なくとも溶解する酸浸出工程Ｓ１と、
‐酸浸出工程Ｓ１で得られるコバルト、銅及びリチウムを少なくとも溶解した酸性の被処理液から不溶残渣を分離する固液分離工程Ｓ２と、
‐固液分離工程Ｓ２後の不溶残渣を除去した被処理液にアルカリを添加してｐＨを７以上に調整する１次ｐＨ調整工程Ｓ３と、
‐１次ｐＨ調整工程Ｓ３で析出するコバルト塩及び銅塩の結晶を含む析出物を被処理液から分離する固液分離工程Ｓ４（特許請求の範囲に記載の「１次コバルト分離工程」に該当）と、
‐固液分離工程Ｓ４で分離される析出物を無機酸の添加により溶解する再溶解工程Ｓ５と、
‐再溶解工程Ｓ５で得られるコバルト及び銅が少なくとも溶解した再溶解液に対して抽出剤を用いた溶媒抽出を行い、再溶解液から銅を分離する溶媒抽出工程Ｓ６と、
‐溶媒抽出工程Ｓ６後の銅を除去した再溶解液にアルカリを添加してｐＨを７以上に調整する２次ｐＨ調整工程Ｓ７と、
‐２次ｐＨ調整工程Ｓ７で析出するコバルト塩の結晶を含む析出物を再溶解液から分離する固液分離工程Ｓ８（特許請求の範囲に記載の「２次コバルト分離工程」に該当）と、
‐溶媒抽出工程Ｓ６後の銅を抽出した抽出剤に対して無機酸を用いた逆抽出を行い、抽出剤から銅を分離する逆抽出工程Ｓ９と、
を含む。
‐廃リチウムイオン電池を無機酸で浸出してコバルト及び銅、さらにはリチウムを少なくとも溶解する酸浸出工程Ｓ１と、
‐酸浸出工程Ｓ１で得られるコバルト、銅及びリチウムを少なくとも溶解した酸性の被処理液から不溶残渣を分離する固液分離工程Ｓ２と、
‐固液分離工程Ｓ２後の不溶残渣を除去した被処理液にアルカリを添加してｐＨを７以上に調整する１次ｐＨ調整工程Ｓ３と、
‐１次ｐＨ調整工程Ｓ３で析出するコバルト塩及び銅塩の結晶を含む析出物を被処理液から分離する固液分離工程Ｓ４（特許請求の範囲に記載の「１次コバルト分離工程」に該当）と、
‐固液分離工程Ｓ４で分離される析出物を無機酸の添加により溶解する再溶解工程Ｓ５と、
‐再溶解工程Ｓ５で得られるコバルト及び銅が少なくとも溶解した再溶解液に対して抽出剤を用いた溶媒抽出を行い、再溶解液から銅を分離する溶媒抽出工程Ｓ６と、
‐溶媒抽出工程Ｓ６後の銅を除去した再溶解液にアルカリを添加してｐＨを７以上に調整する２次ｐＨ調整工程Ｓ７と、
‐２次ｐＨ調整工程Ｓ７で析出するコバルト塩の結晶を含む析出物を再溶解液から分離する固液分離工程Ｓ８（特許請求の範囲に記載の「２次コバルト分離工程」に該当）と、
‐溶媒抽出工程Ｓ６後の銅を抽出した抽出剤に対して無機酸を用いた逆抽出を行い、抽出剤から銅を分離する逆抽出工程Ｓ９と、
を含む。
【0017】
本実施形態のコバルト回収方法は、さらにリチウムを回収するために、
‐固液分離工程Ｓ４後の析出物を除去した被処理液であってリチウム及び無機塩が溶解した被処理液に対してキレート処理を行う不純物除去工程Ｓ１０と、
‐不純物除去工程Ｓ１０後の被処理液を蒸発濃縮する濃縮工程Ｓ１１と、
‐濃縮工程Ｓ１１後の被処理液を冷却晶析して無機塩を結晶として析出させる晶析工程Ｓ１２と、
‐晶析工程Ｓ１２で析出する無機塩の結晶を含む析出物を被処理液から分離する固液分離工程Ｓ１３と、
‐固液分離工程Ｓ１３後の析出物を除去した被処理液に炭酸ガスを混合する及び／又は水溶性の炭酸塩を添加する炭酸化工程Ｓ１４と、
‐炭酸化工程Ｓ１４で析出する炭酸リチウムの結晶を含む析出物を被処理液から分離する固液分離工程Ｓ１５（特許請求の範囲に記載の「リチウム分離工程」に該当）と、
‐固液分離工程Ｓ１３で分離される無機塩の結晶を含む析出物を水を用いて溶解する溶解工程Ｓ１６と、
‐溶解工程Ｓ１６で得られる無機塩が溶解した無機塩溶液に対してバイポーラ膜電気透析を行うことにより無機塩溶液からアルカリ及び無機酸を分離する電気透析工程Ｓ１７と、
をさらに含む。
‐固液分離工程Ｓ４後の析出物を除去した被処理液であってリチウム及び無機塩が溶解した被処理液に対してキレート処理を行う不純物除去工程Ｓ１０と、
‐不純物除去工程Ｓ１０後の被処理液を蒸発濃縮する濃縮工程Ｓ１１と、
‐濃縮工程Ｓ１１後の被処理液を冷却晶析して無機塩を結晶として析出させる晶析工程Ｓ１２と、
‐晶析工程Ｓ１２で析出する無機塩の結晶を含む析出物を被処理液から分離する固液分離工程Ｓ１３と、
‐固液分離工程Ｓ１３後の析出物を除去した被処理液に炭酸ガスを混合する及び／又は水溶性の炭酸塩を添加する炭酸化工程Ｓ１４と、
‐炭酸化工程Ｓ１４で析出する炭酸リチウムの結晶を含む析出物を被処理液から分離する固液分離工程Ｓ１５（特許請求の範囲に記載の「リチウム分離工程」に該当）と、
‐固液分離工程Ｓ１３で分離される無機塩の結晶を含む析出物を水を用いて溶解する溶解工程Ｓ１６と、
‐溶解工程Ｓ１６で得られる無機塩が溶解した無機塩溶液に対してバイポーラ膜電気透析を行うことにより無機塩溶液からアルカリ及び無機酸を分離する電気透析工程Ｓ１７と、
をさらに含む。
【0018】
コバルトを回収する対象の廃リチウムイオン電池は、所定の充放電回数の使用により充電容量が低下した使用済みのリチウムイオン電池の他、電池製造工程内での不具合などで発生する半製品、製品仕様変更に伴って発生する旧型式在庫整理品などを含む。廃リチウムイオン電池は、焙焼処理がなされていてもよいし、単なる粉砕処理、又は粉砕処理と焙焼処理とがなされて得られる粉末であってもよい。
【0019】
まず、酸浸出工程Ｓ１では、上述した廃リチウムイオン電池を無機酸で浸出する。これにより、廃リチウムイオン電池に含まれているコバルトやリチウムなどの有価金属を溶解する。この酸浸出の際には、有価金属の他に銅などの不純物金属も溶解する。無機酸としては、例えば硫酸、塩酸、硝酸、リン酸などを用いることができるが、本実施形態では低コストかつ扱いやすい点で硫酸が用いられている。
【0020】
酸浸出工程Ｓ１において、廃リチウムイオン電池を無機酸で浸出する方法については特に限定されるものではなく、通常行われている方法を用いることができる。例えば、酸浸出１内で廃リチウムイオン電池を例えば硫酸水溶液などの無機酸の水溶液に浸漬させて所定時間攪拌することで、上述したコバルトやリチウム、銅などの金属が溶解した被処理液が得られる。酸浸出工程Ｓ１では、水溶液中の無機酸の濃度が１ｍｏｌ／Ｌ以上５ｍｏｌ／Ｌ以下であることが好ましく、水溶液の温度は６０℃以上が好ましい。
【0021】
酸浸出工程Ｓ１で得られる被処理液は、固液分離工程Ｓ２に供給される。固液分離工程Ｓ２では、固液分離装置を用いて被処理液から不溶残渣を分離する。不溶残渣は、廃リチウムイオン電池に含まれている主に無機酸に溶解しない炭素材料、金属材料、有機材料である。固液分離する方法としては、例えば、加圧ろ過（フィルタープレス）、真空ろ過、遠心ろ過などの各種ろ過装置や、デカンター型のような遠心分離装置など公知の固液分離装置を用いることができる。なお、以下の固液分離工程Ｓ４，Ｓ８，Ｓ１３，Ｓ１５などにおいても同様である。
【0022】
固液分離工程Ｓ２後の被処理液は、１次ｐＨ調整工程Ｓ３に供給される。１次ｐＨ調整工程Ｓ３では、被処理液にアルカリを添加し、ｐＨを７以上、好ましくは７以上１３以下、より好ましくは７以上１１以下、さらに好ましくは８以上１０以下の範囲に調整する。これにより、被処理液中のコバルトが水酸化コバルトなどのコバルト塩の結晶として析出するとともに、銅が水酸化銅などの銅塩の結晶として析出し、被処理液から除去される。なお、１次ｐＨ調整工程Ｓ３においては、コバルトや銅の他、ニッケルやマンガンなどの有価金属、及び／又は、鉄やアルミニムなど不純物金属が水酸化物などの無機塩の結晶として析出し、被処理液から除去されていてもよい。ｐＨ調整に用いるアルカリとしては、例えば水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウムなどを用いることができるが、本実施形態では低コストかつ扱いやすい点で水酸化ナトリウムが用いられている。
【0023】
１次ｐＨ調整工程Ｓ３において、被処理液のｐＨを調整する方法については特に限定されるものではなく、通常行われている方法を用いることができる。例えば、１次ｐＨ調整槽２内で被処理液を攪拌しながら例えば水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリの水溶液を添加する方法を挙げることができる。ｐＨ調整時には、被処理液を例えば３０℃から８０℃の範囲内で一定温度に加温することが好ましい。被処理液に添加されるアルカリの水溶液は、特に限定されないが、アルカリ濃度が０．２ｍｏｌ／Ｌ以上であることが好ましい。
【0024】
１次ｐＨ調整工程Ｓ３後の被処理液は、固液分離工程Ｓ４に供給される。固液分離工程Ｓ４では、１次ｐＨ調整工程Ｓ３で析出したコバルト塩の結晶及び銅塩の結晶などを含む析出物を、固液分離装置を用いて被処理液から分離する。固液分離工程Ｓ４で回収される析出物は、洗浄液で洗浄する。洗浄後の洗浄廃液は、被処理液とともに、不純物除去工程Ｓ１０に供給することが好ましい。これにより、洗浄廃液に含まれるリチウムについても被処理液に含まれるリチウムとともに不純物除去工程Ｓ１０から炭酸化工程Ｓ１４に供給することができ、炭酸化工程Ｓ１４で炭酸化することで、リチウムを高回収率で回収することができる。この析出物の洗浄に用いる水は、特に限定されるものではないが、濃縮工程Ｓ１１において被処理液を蒸発濃縮した際に発生する凝縮水を利用することが好ましく、これにより、凝縮水の有効利用が可能である。
【0025】
固液分離工程Ｓ４で回収された析出物には、コバルトの他、銅などの不純物金属も混入している。よって、銅などの不純物金属を除去するため、固液分離工程Ｓ４で回収された析出物は、再溶解工程Ｓ５に供給される。
【0026】
再溶解工程Ｓ５では、コバルト塩の結晶及び銅塩の結晶を含む析出物を無機酸の添加により溶解する。無機酸としては、例えば硫酸、塩酸、硝酸、リン酸などを用いることができるが、本実施形態では低コストかつ扱いやすい点で硫酸が用いられている。該析出物を溶解する方法としては、特に限定されないが、例えば再溶解槽３内で該析出物を所望の濃度となるように例えば硫酸水溶液などの無機酸の水溶液を用いて溶解することで、コバルトや銅などが溶解した再溶解液が得られる。再溶解工程Ｓ５では、水溶液中の無機酸の濃度が１ｍｏｌ／Ｌ以上５ｍｏｌ／Ｌ以下であることが好ましく、水溶液の温度は３０℃以上が好ましい。再溶解液のｐＨは、低すぎると次の溶媒抽出工程Ｓ６の溶媒抽出において銅などの不純物金属の抽出率が低下する一方で、高すぎると溶媒抽出においてコバルトまで抽出されるおそれがある。そのため、必要に応じて、水酸化ナトリウムなどのアルカリを添加することにより、再溶解液のｐＨは２．０以上５．０以下に調整することが好ましい。
【0027】
再溶解工程Ｓ５で得られる再溶解液は、溶媒抽出工程Ｓ６に供給される。溶媒抽出工程Ｓ６では、再溶解液に対して抽出剤を用いた溶媒抽出を行うことにより、銅などの不純物金属が抽出剤側に移動し、銅などの不純物金属を含む抽出剤（有機相）と、コバルトを含む再溶解液（水相）とに分離される。これにより、再溶解液から銅などの不純物金属を除去することができる。
【0028】
溶媒抽出に用いる抽出剤としては、特に限定されないが、例えば、９，９－ジメチルデカン酸（Shell社製の「Versatic acid 10」）などのカルボン酸などが挙げられ、このような抽出剤を炭化水素系溶剤で予め希釈したものを使用することができる。炭化水素系溶剤としては、特に限定されないが、例えば、エクソンモービル社製の「アイソパーM」、エクソンモービル社製の「ソルベッソ150」などを挙げることができる。
【0029】
溶媒抽出の方法については特に限定されるものではなく、通常行われている方法を用いることができる。例えば、抽出槽４内で再溶解液と抽出剤とを接触させ、ミキサーなどで所定時間攪拌することで混合し、銅などの不純物金属のイオンを抽出剤と反応させる。再溶解液に対する抽出剤の体積比（抽出剤の体積／再溶解液の体積）は、特に限定されないが、１．０から１０．０の範囲内に設定することが好ましい。溶媒抽出時の平衡ｐＨは、特に限定されないが、水酸化ナトリウムなどのアルカリを添加することにより、２．０以上５．０以下に調整することが好ましい。平衡ｐＨを５．０以下にすることで、コバルトが抽出剤に抽出されるのを低減でき、平衡ｐＨを２．０以上にすることで、銅などの不純物金属の抽出剤への抽出率を向上させることができる。
【0030】
溶媒抽出により銅などの不純物金属が抽出剤に抽出されると、例えばセトラーにより、混合した抽出剤と再溶解液とを比重差により分離する。溶媒抽出は繰り返し行ってもよく、残存する銅などの不純物金属の濃度に応じて抽出回数を決めればよい。また、例えば抽出剤と再溶解液とが向流接触するようにした多段方式とすることもできる。
【0031】
溶媒抽出工程Ｓ６後のコバルトが溶解しかつ銅などの不純物金属が除去された再溶解液は、２次ｐＨ調整工程Ｓ７に供給される。２次ｐＨ調整工程Ｓ７では、再溶解液にアルカリを添加し、１次ｐＨ調整工程Ｓ３と同様に、ｐＨを７以上、好ましくは７以上１３以下、より好ましくは７以上１１以下、さらに好ましくは８以上１０以下の範囲に調整する。これにより、再溶解液中のコバルトが水酸化コバルトなどのコバルト塩の結晶として析出する。なお、２次ｐＨ調整工程Ｓ７においては、コバルトの他、ニッケルやマンガンなどの有価金属が水酸化物などの無機塩の結晶として析出してもよい。ｐＨ調整に用いるアルカリとしては、１次ｐＨ調整工程Ｓ３と同様に、例えば水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウムなどを用いることができるが、本実施形態では低コストかつ扱いやすい点で水酸化ナトリウムが用いられている。
【0032】
２次ｐＨ調整工程Ｓ７において、再溶解液のｐＨを調整する方法については特に限定されるものではなく、通常行われている方法を用いることができる。例えば、２次ｐＨ調整槽５内で再溶解液を攪拌しながら例えば水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリの水溶液を添加する方法を挙げることができる。ｐＨ調整時には、再溶解液を例えば３０℃から８０℃の範囲内で一定温度に加温することが好ましい。再溶解液に添加されるアルカリの水溶液は、特に限定されないが、アルカリ濃度が０．２ｍｏｌ／Ｌ以上であることが好ましい。
【0033】
２次ｐＨ調整工程Ｓ７後の再溶解液は、固液分離工程Ｓ８に供給される。固液分離工程Ｓ８では、２次ｐＨ調整工程Ｓ７で析出したコバルト塩の結晶などを含む析出物を、固液分離装置を用いて再溶解液から分離する。これにより、再溶解液に溶解していたコバルトをコバルト塩として回収することができる。
【0034】
固液分離工程Ｓ８で回収される析出物は、洗浄液で洗浄する。洗浄後の洗浄廃液は、再溶解液とともに、不純物除去工程Ｓ１０に供給することが好ましい。これにより、再溶解液や洗浄廃液に含まれるリチウムについて濃縮工程Ｓ１１で濃縮した後に炭酸化工程Ｓ１４に供給することができ、炭酸化工程Ｓ１４で炭酸化することで、リチウムを高回収率で回収することができる。この析出物の洗浄に用いる水は、特に限定されるものではないが、濃縮工程Ｓ１１において発生する凝縮水を利用することが好ましく、これにより、凝縮水の有効利用が可能である。なお、本実施形態では、洗浄後の洗浄廃液を再溶解液とともに不純物除去工程Ｓ１０に供給することで、洗浄廃液や再溶解液にカルシウム及び／又はマグネシウムが含まれている場合に不純物除去工程Ｓ１０でこれらを除去しているが、洗浄廃液や再溶解液にカルシウム及び／又はマグネシウムが含まれていない場合には該液を濃縮工程Ｓ１１に供給してもよい。また、洗浄廃液や再溶解液は、一次ｐＨ調整工程Ｓ３に供給してもよい。これにより、２次ｐＨ調整工程Ｓ７で析出せずに再溶解液にコバルトが残存している場合に、コバルトの回収率を上げることができる。
【0035】
一方、溶媒抽出工程Ｓ６後の銅などの不純物金属を含む抽出剤は、銅などの不純物金属を回収するため、逆抽出工程Ｓ９に供給される。逆抽出工程Ｓ９では、抽出剤に対して無機酸を用いた逆抽出を行うことにより、銅などの不純物金属が無機酸側に移動する。これにより、抽出剤が抽出した銅などの不純物金属を抽出剤から逆抽出することができる。
【0036】
逆抽出に用いる無機酸としては、特に限定されないが、例えば硫酸や塩酸などを用いることができるが、本実施形態では低コストかつ扱いやすい点で硫酸が用いられている。逆抽出の方法については特に限定されるものではなく、通常行われている方法を用いることができる。例えば、逆抽出槽６内で抽出剤と例えば硫酸水溶液などの無機酸の水溶液とを接触させ、ミキサーなどで所定時間攪拌することで混合する。無機酸の水溶液のｐＨは、特に限定されないが、２．０以下であることが好ましい。
【0037】
逆抽出により銅などの不純物金属が抽出剤から逆抽出されると、例えばセトラーにより、混合した抽出剤と無機酸の水溶液とを比重差により分離する。逆抽出工程Ｓ９後の銅などの不純物金属が溶解した無機酸の水溶液は、例えば中和槽７内で攪拌しながら例えば水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリの水溶液を添加することで中和処理し、中和処理後に例えばろ過や遠心分離などで固液分離することで、銅などの不純物金属を例えば水酸化物などの無機塩の結晶として回収することができる。
【0038】
逆抽出工程Ｓ９後の銅などの不純物金属が除去された抽出剤は、溶媒抽出工程Ｓ６（抽出槽４）に供給して、溶媒抽出工程Ｓ６で用いる抽出剤として再利用する。
【0039】
次に、上述した固液分離工程Ｓ４後の被処理液には、リチウムの他、酸浸出工程Ｓ１及び１次ｐＨ調整工程Ｓ３において添加された無機酸（本実施形態では硫酸）及びアルカリ（本実施形態では水酸化ナトリウム）によって無機塩（本実施形態では硫酸ナトリウム）が溶解している。また、被処理液には、多くは、カルシウム、マグネシウム、シリカなどの不純物がさらに溶解している。以下では、被処理液中のリチウムを回収する方法について説明する。
【0040】
固液分離工程Ｓ４後の被処理液は、不純物除去工程Ｓ１０に供給される。不純物除去工程Ｓ１０では、被処理液に含まれるカルシウム及び／又はマグネシウムなどの多価陽イオンを少なくとも除去する。被処理液に不純物として含まれるカルシウムやマグネシウムなどを除去することにより、次の濃縮工程Ｓ１１において、蒸発濃縮装置９の熱交換器の伝熱面にスケールが発生して付着することを抑制することができ、熱交換効率を高く維持することができる。また、被処理液にカルシウムやマグネシウムなどが含まれていると、電気透析工程Ｓ１７において、無機溶液中に含まれるカルシウムやマグネシウムなどの多価陽イオンがバイポーラ膜電気透析装置１３の陽イオン交換膜内で析出し、膜の性能低下を招くおそれがある。そのため、予め被処理液からカルシウムやマグネシウムなどの電気透析を運転するうえでスケーリングなどの支障がでる物質を除去することにより、バイポーラ膜電気透析装置１３の陽イオン交換膜への悪影響を防止することができ、電気透析の性能を高く維持することができる。
【0041】
不純物除去工程Ｓ１０において、被処理液からカルシウムやマグネシウムを除去する方法については特に限定されるものではなく、例えば多価陽イオン除去装置８を用いることができる。多価陽イオン除去装置８は、カルシウムイオンやマグネシウムイオンなどの２価以上の多価陽イオンを除去する装置であり、例えば、イオン交換樹脂を内部に備えていて被処理液をイオン交換樹脂に接触させてカルシウムイオンやマグネシウムイオンを吸着可能な構成のもの例示することができる。多価陽イオン除去装置８としては、その他に、キレート樹脂を充填したカラムに被処理液を通液可能な構成のものを例示することができる。キレート樹脂としては、カルシウムイオンやマグネシウムイオンを選択的に捕捉可能なものを使用することができ、例えば、イミノジ酢酸型、アミノリン酸型などを例示することができる。また多価陽イオン除去装置８としては、キレート剤を添加するものなどを挙げることができる。なお、不純物除去工程Ｓ１０で被処理液から除去する不純物には、カルシウムやマグネシウムに加えて、シリカ（ケイ酸イオン）が含まれていてもよい。
【0042】
不純物除去工程Ｓ１０後の被処理液は、濃縮工程Ｓ１１に供給される。濃縮工程Ｓ１１では、被処理液を加熱することにより蒸発濃縮する、すなわち、被処理液中の水分を蒸発させることで被処理液を濃縮する。これにより、被処理液の液量が減少し、被処理液中のリチウム濃度が増加する。よって、炭酸化工程Ｓ１４において炭酸リチウムの回収率を向上することができる。
【0043】
濃縮工程Ｓ１１では、濃縮後の被処理液にリチウムが例えば硫酸リチウムなどのリチウム塩の結晶として析出しない程度の濃度まで被処理液を蒸発濃縮することが好ましい。これにより、濃縮後の被処理液におけるリチウムの濃度を高くすることができ、炭酸化工程Ｓ１４において炭酸リチウムの回収率を向上することができる。
【0044】
なお、濃縮工程Ｓ１１で析出物が析出した場合には、被処理液からこれを分離する固液分離工程を行ってもよい。
【0045】
濃縮工程Ｓ１１において、被処理液を蒸発濃縮する方法については特に限定されるものではなく、例えば蒸発濃縮装置９を用いることができる。蒸発濃縮装置９としては、被処理液を蒸発により濃縮可能であれば特に限定されず、例えばヒートポンプ型、エゼクター駆動型、スチーム型、フラッシュ型などの公知の蒸発濃縮装置を用いることができるが、好ましくはヒートポンプ型の蒸発濃縮装置である。ヒートポンプ型の蒸発濃縮装置を用いた場合には、使用するエネルギーを著しく抑制することができる。
【0046】
蒸発濃縮装置９は、図示しない真空ポンプが接続されていることで内部が低圧に維持されており、濃縮工程Ｓ１１では被処理液を大気圧よりも圧力の低い低圧下で加熱することにより蒸発濃縮することが好ましい。低圧下では大気圧下よりも被処理液の蒸発温度（被処理液に含まれる水の沸点）が下がるので、低圧下で蒸発濃縮することにより、被処理液の蒸発濃縮に必要なエネルギーを低く抑えて省エネルギー化を図ることができる。
【0047】
なお、濃縮工程Ｓ１１では、必ずしも被処理液を大気圧よりも圧力の低い低圧下で加熱することにより蒸発濃縮する必要はなく、例えば大気圧下で被処理液を加熱することにより蒸発濃縮してもよい。
【0048】
濃縮工程Ｓ１１後の被処理液は、晶析工程Ｓ１２に供給される。晶析工程Ｓ１２では、被処理液を冷却晶析する。晶析工程Ｓ１２においては、被処理液の温度を低下させて、被処理液に含まれる無機塩が結晶化するまで溶解度を下げることで、被処理液中の無機塩（本実施形態では硫酸ナトリウム）の濃度を減少させる。これにより、炭酸化工程Ｓ１４において炭酸リチウムを回収する際に、炭酸リチウムの純度を高めることができる。
【0049】
晶析工程Ｓ１２において、被処理液を冷却晶析する方法については特に限定されるものではなく、例えば冷却晶析装置１０を用いることができる。冷却晶析装置１０は、供給された被処理液を晶析槽内で冷却して、目的とする無機塩の結晶を析出させるものである。冷却晶析装置１０としては、例えばジャケットや内部コイルによる冷却方式の晶析装置、外部循環冷却式の晶析装置などの公知の冷却晶析装置を用いることができ、特に限定されない。
【0050】
晶析工程Ｓ１２においては、無機塩によって飽和溶解度や溶解度の温度依存性が異なることを利用して、目的の無機塩の結晶のみを析出させる。本実施形態においては、硫酸リチウムなどのリチウム塩の溶解度の温度依存性が、硫酸ナトリウムなどのリチウム塩以外の無機塩のそれに比べて小さいことを利用している。すなわち、供給濃度におけるリチウム塩の析出温度以上であってリチウム塩以外の無機塩の析出温度以下に冷却することによってリチウム塩以外の無機塩を結晶として析出させる。具体的に硫酸ナトリウムの結晶を析出させるための冷却温度としては、３０℃以下、好ましくは５℃以上２０℃以下である。このとき、硫酸ナトリウムは、硫酸ナトリウム十水和物（Ｎａ２ＳＯ４・１０Ｈ２Ｏ）の形で析出する。
【0051】
晶析工程Ｓ１２後の被処理液は、固液分離工程Ｓ１３に供給される。固液分離工程Ｓ１３では、固液分離装置を用いて被処理液から無機塩（本実施形態では硫酸ナトリウム）の結晶を含む析出物を分離する。
【0052】
固液分離工程Ｓ１３後の被処理液は、炭酸化工程Ｓ１４に供給される。炭酸化工程Ｓ１４では、無機塩の結晶を含む析出物が除去された後の被処理液に炭酸ガスを混合する及び／又は水溶性の炭酸塩を添加することにより、被処理液中のリチウムを炭酸リチウムの結晶として析出させる。これにより、被処理液中のリチウムを炭酸リチウムとして回収することができる。炭酸塩としては、例えば炭酸ナトリウム、炭酸アンモニウム、炭酸カリウムなどを用いることができる。
【0053】
炭酸化工程Ｓ１４においては、被処理液に炭酸ガスを混合することにより炭酸リチウムの結晶を析出させることが好ましい。このように、炭酸化工程Ｓ１４において、例えばナトリウムなどのアルカリ金属を含まない材料を用いることにより、析出する炭酸リチウムの結晶にリチウム以外のアルカリ金属が混入することを抑制することができる。よって、純度の高い炭酸リチウムを回収することができる。
【0054】
ただし、炭酸ガスの混合を続けると被処理液のｐＨが下がるため、炭酸リチウムの析出量が減少する場合がある。そのため、被処理液のｐＨが７以下になる前に炭酸ガスの混合を止めることが好ましい。また、被処理液にアルカリを添加することで、ｐＨが下がらないようにしてもよい。その際には、アルカリ添加によりｐＨを９以上に維持することが好ましい。添加するアルカリとしては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウムなどを用いることができる。
【0055】
炭酸化工程Ｓ１４において、被処理液に炭酸ガスを混合する方法については特に限定されるものではなく、通常行われている方法を用いることができる。例えば、炭酸化槽１１内で被処理液を攪拌しながら被処理液中に炭酸ガスをノズルにより微細な気泡の状態で供給することで、被処理液に炭酸ガスを均一に混合することができ、被処理液中のリチウムと炭酸ガスとを効率よく反応させることができる。また、被処理液を炭酸ガスの雰囲気下に噴霧することで炭酸ガスと反応させてもよい。
【0056】
炭酸リチウムの溶解度は温度が高くなるほど低くなるため、炭酸化工程Ｓ１４においては、被処理液を加温することが好ましい。これにより、被処理液中のリチウムと炭酸ガスとの反応で生じる炭酸リチウムの溶解度が低下するので、炭酸リチウムの結晶の析出量を増やすことができる。また、被処理液を加温することで、被処理液に残存する無機塩（本実施形態では硫酸ナトリウム）の溶解度が上がり、無機塩の結晶化を抑制することができる。よって、炭酸リチウムの結晶とともに無機塩の結晶が析出することを抑制できるので、炭酸化工程Ｓ１４において炭酸リチウムを回収する際に、炭酸リチウムの純度を高めることができる。
【0057】
炭酸化工程Ｓ１４において被処理液を加温する方法としては特に限定されるものではなく、例えばヒーター等の公知の加熱手段を用いて炭酸化槽１１内の被処理液を加熱する方法を用いることができる。なお、炭酸化槽１１に被処理液を供給する前に予め熱交換器等の予熱手段を用いて被処理液を加温するように構成してもよい。
【0058】
炭酸化工程Ｓ１４後の被処理液は、固液分離工程Ｓ１５に供給される。固液分離工程Ｓ１５では、固液分離装置を用いて被処理液から炭酸リチウムの結晶を含む析出物を分離する。被処理液から回収される析出物は、水などで洗浄することで、不純物が除去され、炭酸リチウムの純度を上げることができる。この析出物の洗浄に用いる水は、特に限定されるものではないが、濃縮工程Ｓ１１において発生する凝縮水を利用することが好ましく、これにより、凝縮水の有効利用が可能である。
【0059】
固液分離工程Ｓ１５後の被処理液は、特に限定されるわけではないが、不純物が含まれているため、一部はブロー液として排出するが、一部は再度系内に循環することが好ましい。これにより被処理液中に残存するリチウムを回収できるため、リチウムを高回収率で回収することができる。なお、上述した炭酸リチウムの結晶を含む析出物を洗浄した後の洗浄廃液についても固液分離工程Ｓ１５後の被処理液とともに、再度系内に循環することが好ましい。
【0060】
固液分離工程Ｓ１５後の被処理液を再度系内に循環する際には、濃縮工程Ｓ１１（蒸発濃縮装置９）に供給して蒸発濃縮してもよいが、好ましくは、１次ｐＨ調整工程Ｓ３（１次ｐＨ調整槽２）に供給する。固液分離工程Ｓ１５後の被処理液はアルカリ性のため、１次ｐＨ調整工程Ｓ３で添加するアルカリとして利用できる。さらには、固液分離工程Ｓ１５後の被処理液が炭酸イオン（ＣＯ３
２－）を多く含んでいると、濃縮工程Ｓ１１において蒸発濃縮される際に蒸発濃縮装置９の熱交換器の伝熱面に炭酸塩の結晶が析出する。そこで、固液分離工程Ｓ２後の１次ｐＨ調整工程Ｓ３に供給される被処理液は酸性であることから、この酸性の被処理液で固液分離工程Ｓ１５後の被処理液を中和して炭酸イオンを炭酸ガスとして抜くことで、濃縮工程Ｓ１１において蒸発濃縮装置９の熱交換器の伝熱面に炭酸塩の結晶が析出することを防止することができる。
【0061】
一方で、濃縮工程Ｓ１１で析出しかつ固液分離工程Ｓ１３で回収された析出物に含まれる無機塩（本実施形態では硫酸ナトリウム）の結晶は、溶解工程Ｓ１６に供給される。溶解工程Ｓ１６では、特に限定されないが、例えば溶解槽１２内で無機塩の結晶を所望の濃度となるように例えば水を用いて溶解することで、無機塩溶液が得られる。このときの温度は、特に限定されるものではなく、無機塩の結晶を溶解できる温度であればよい。また、無機塩の溶解に用いる水は、特に限定されるものではないが、濃縮工程Ｓ１１において発生する凝縮水を利用することが好ましく、これにより、凝縮水の有効利用が可能である。
【0062】
溶解工程Ｓ１６で得られる無機塩溶液は、電気透析工程Ｓ１７に供給される。電気透析工程Ｓ１７では、特に限定されないが、例えばバイポーラ膜電気透析装置１３により無機塩溶液からアルカリ及び無機酸を分離して回収する。バイポーラ膜電気透析装置１３としては、例えば図４に示すように、陽極１３５と陰極１３６との間に、陰イオン交換膜１３１、陽イオン交換膜１３２及び２つのバイポーラ膜１３３，１３４を備えるセル１３０が複数積層された三室セル方式のバイポーラ膜電気透析装置を好適に使用することができる。本実施形態のバイポーラ膜電気透析装置１３は、陰イオン交換膜１３１及び陽イオン交換膜１３２により脱塩室Ｒ１を形成し、陰イオン交換膜１３１及び一方のバイポーラ膜１３３との間に酸室Ｒ２を形成し、陽イオン交換膜１３２と他方のバイポーラ膜１３４との間にアルカリ室Ｒ３を形成している。各バイポーラ膜１３３，１３４の外側には陽極室Ｒ４と陰極室Ｒ５とが形成されており、陽極室Ｒ４に陽極１３５が、陰極室Ｒ５に陰極１３６が、それぞれ配置されている。
【0063】
電気透析工程Ｓ１７では、脱塩室Ｒ１に無機塩溶液を導入し、酸室Ｒ２及びアルカリ室Ｒ３にそれぞれ純水を導入する。これにより、無機塩溶液が例えば硫酸ナトリウムを含んでいる場合には、脱塩室Ｒ１においては、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）は陽イオン交換膜１３２を通過し、硫酸イオン（ＳＯ４
２－）は陰イオン交換膜１３１を通過する。一方、酸室Ｒ２及びアルカリ室Ｒ３においては、供給された純水がバイポーラ膜１３３，１３４において水素イオン（Ｈ＋）及び水酸化物イオン（ＯＨ－）に解離され、酸室Ｒ２では水素イオン（Ｈ＋）が硫酸イオン（ＳＯ４
２－）と結合して硫酸（Ｈ２ＳＯ４）が生成され、アルカリ室Ｒ３では水酸化物イオン（ＯＨ－）がナトリウムイオン（Ｎａ＋）と結合して水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）が生成される。これにより、酸室Ｒ２から無機酸として硫酸（Ｈ２ＳＯ４）が、アルカリ室Ｒ３からアルカリとして水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）が、それぞれ回収される。なお、酸室Ｒ２及びアルカリ室Ｒ３に導入される純水は、濃縮工程Ｓ１１において発生する凝縮水を利用してもよい。
【0064】
脱塩室Ｒ１から排出される脱塩後の希薄な無機塩溶液（脱塩液）は、特に限定されるわけではないが、リチウムをわずかに含んでいるため、濃縮工程Ｓ１１（蒸発濃縮装置９）に供給して、再び濃縮した後に炭酸化工程Ｓ１４で炭酸化することが好ましい。これにより、リチウムを高回収率で回収することができる。なお、脱塩液は、本実施形態では濃縮工程Ｓ１１に供給しているが、脱塩液にカルシウム及び／又はマグネシウムが残っている場合には、脱塩液を不純物除去工程Ｓ１０に供給してもよい。これにより、カルシウムやマグネシウムを脱塩液から除去した後に濃縮工程Ｓ１１に供給することができる。また、脱塩液は、一次ｐＨ調整工程Ｓ３に供給してもよい。これにより、脱塩液にコバルトが残存している場合に、コバルトの回収率を上げることができる。
【0065】
また、酸室Ｒ２から回収した無機酸（本実施形態では硫酸）は、特に限定されるわけではないが、酸浸出工程Ｓ１（酸浸出槽１）及び／又は再溶解工程Ｓ５（再溶解槽３）に供給して、廃リチウムイオン電池の酸浸出、コバルト塩及び銅塩の再溶解のための無機酸として再利用することが好ましい。さらに、不純物処理工程Ｓ１０（多価陽イオン除去装置８）に供給して、キレート樹脂又はイオン交換樹脂の再生液として再利用することが好ましい。
【0066】
また、アルカリ室Ｒ３から回収したアルカリ（本実施形態では水酸化ナトリウム）は、特に限定されるわけではないが、１次ｐＨ調整工程Ｓ３（１次ｐＨ調整槽２）及び／又は２次ｐＨ調整工程Ｓ７（２次ｐＨ調整槽５）に供給して、被処理液や再溶解液のｐＨ調整のためのアルカリとして再利用することが好ましい。さらに、不純物処理工程Ｓ１０（多価陽イオン除去装置８）に供給して、キレート樹脂又はイオン交換樹脂の再生液として再利用することが好ましい。
【0067】
上述した本実施形態のコバルト回収方法では、コバルト及び銅が少なくとも溶解した被処理液に対して、まずは１次ｐＨ調整工程Ｓ３においてアルカリを添加してｐＨを７以上に調整することにより、被処理液からコバルトをコバルト塩として回収し、そして、再溶解工程Ｓ５において回収したコバルト塩を無機酸により溶解し、溶媒抽出工程Ｓ６においてコバルトが再溶解した再溶解液を溶媒抽出することにより、再溶解液に含まれる銅を再溶解液から分離している。
【0068】
再溶解液に用いる無機酸は、１次ｐＨ調整工程Ｓ３で被処理液から回収したコバルト塩を溶解する分の量で足り、当初にコバルトなどの金属を溶解させるために被処理液に用いた無機酸の量よりも少量で済む。特に被処理液が廃リチウムイオン電池を酸浸出したものである場合には、溶解対象の廃リチウムイオン電池の量が多量であることから、酸浸出のために無機酸が多量に必要となり、被処理液の量が多量となる。そのため、本実施形態のコバルト回収方法のように、被処理液からコバルトを一旦除去した後、再度コバルトを無機酸を用いて溶解することで、コバルトが溶解した再溶解液の量を当初の被処理液の量よりも大幅に少なくすることができる。再溶解液の量が少なくなると、銅などの不純物金属を分離するための溶媒抽出を行うのに用いる抽出剤の量を少なくすることができるため、抽出剤にかかるコストを低減することができる。さらに、再溶解液から溶媒抽出により銅などの不純物金属が除去されるので、コバルトを高純度で回収することができる。以上より、本実施形態のコバルト回収方法では、被処理液からコバルトを高純度かつ低コストで回収することができる。
【0069】
また、本実施形態のコバルト回収方法によれば、溶媒抽出工程Ｓ６において用いた抽出剤に対して、逆抽出工程Ｓ９において逆抽出を行うことで、銅などの不純物金属を抽出した抽出剤から銅などの不純物金属を逆抽出している。そして、逆抽出した抽出剤を、溶媒抽出工程Ｓ６に供給して再利用しているので、溶媒抽出工程Ｓ６において使用する抽出剤の量を減らすことができる。
【0070】
また、本実施形態のコバルト回収方法によれば、固液分離工程Ｓ１３において被処理液から分離された析出物に含まれる無機塩（本実施形態では硫酸ナトリウム）の結晶を溶解工程Ｓ１６で溶解して無機塩溶液とした後、電気透析工程Ｓ１７においてバイポーラ膜電気透析を行うことで、無機塩溶液から無機酸及びアルカリを回収している。そして、回収した無機酸及びアルカリを、酸浸出工程Ｓ１、１次ｐＨ調整工程Ｓ３、再溶解工程Ｓ５、２次ｐＨ調整工程Ｓ７などに供給して再利用しているので、各工程において使用する無機酸やアルカリの量を減らすことができる。
【0071】
また、本実施形態のコバルト回収方法によれば、濃縮工程Ｓ１１で発生する凝縮水を各種の処理に用いているので、凝縮水を有効利用することができる。さらに、凝縮水を用いて各固液分離工程Ｓ４，Ｓ８，Ｓ１３，Ｓ１５により得られた結晶を洗浄することにより、各結晶の回収率を良好に向上することができる。
【0072】
以上、本発明のコバルト回収方法の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【0073】
【0074】
第１ｐＨ調整工程Ｓ３－１では、アルカリの添加により被処理液のｐＨを４以上７以下、好ましくは４以上６以下、より好ましくは４以上５以下に調整する。これにより、被処理液中の銅の他、鉄やアルミニウムなどの不純物金属の多くが水酸化物などの無機塩の結晶として析出し、被処理液から除去される。ｐＨ調整に用いるアルカリとしては、例えば水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウムなどを用いることができるが、本実施形態では低コストかつ扱いやすい点で水酸化ナトリウムが用いられている。第１ｐＨ調整工程Ｓ３－１において、被処理液のｐＨを調整する方法については特に限定されるものではなく、通常行われている方法を用いることができる。例えば、第１ｐＨ調整槽２Ａ内で被処理液を攪拌しながら例えば水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリの水溶液を添加する方法を挙げることができる。第１ｐＨ調整工程Ｓ３－１では、被処理液を例えば３０℃から８０℃の範囲内で一定温度に加温しながら行うことが好ましい。
【0075】
第１ｐＨ調整工程Ｓ３－１で添加されるアルカリの水溶液は、アルカリ濃度が１．０ｍｏｌ／Ｌ未満と希薄であることが好ましい。これにより、第１ｐＨ調整工程Ｓ３－１で被処理液中のコバルトが銅などの不純物金属とともにコバルト塩の結晶として析出して被処理液から除去されることを抑制できる。ただし、アルカリ濃度が過度に低いと、第１ｐＨ調整工程Ｓ３－１においてｐＨ調整のためにアルカリの水溶液を多量に用いる必要があるうえ、ｐＨ調整後の被処理液の量も多量となるため、アルカリ濃度の下限は、０．１ｍｏｌ／Ｌ以上であることが好ましい。また、第１ｐＨ調整工程Ｓ３－１で被処理液中のコバルトが被処理液から除去されることを効果的に抑制するためには、第１ｐＨ調整工程Ｓ３－１で添加されるアルカリの水溶液のアルカリ濃度は、０．５ｍｏｌ／Ｌ以下であることが好ましく、０．２ｍｏｌ／Ｌ以下であることがより好ましい。
【0076】
なお、この第１ｐＨ調整工程Ｓ３－１においては、ｐＨ調整に使用するアルカリの水溶液量を減らすために、被処理液のｐＨが４より小さい所定値となるまでは１．０ｍｏｌ／Ｌ以上の濃いアルカリ濃度を有するアルカリの水溶液を被処理液に添加し、被処理液のｐＨが所定値となった後は、１．０ｍｏｌ／Ｌ未満の薄いアルカリ濃度を有するアルカリの水溶液を被処理液に添加することで、被処理液のｐＨを４以上７以下に調整することもできる。上述した被処理液のｐＨの所定値としては、２以上３以下の範囲内で設定することができる。
【0077】
第１ｐＨ調整工程Ｓ３－１後の被処理液は、固液分離工程Ｓ３－２に供給される。固液分離工程Ｓ３－２では、固液分離工程Ｓ３－２で析出した銅などの不純物金属の塩の結晶を含む析出物を、固液分離装置を用いて分離する。固液分離工程Ｓ３－２で回収される析出物は、洗浄液で洗浄する。洗浄後の洗浄廃液は、被処理液とともに、次の第２ｐＨ調整工程Ｓ３－３に供給することが好ましい。これにより、洗浄廃液に含まれるリチウムについても被処理液に含まれるリチウムとともに第２ｐＨ調整工程Ｓ３－３から炭酸化工程Ｓ１４に供給することができ、炭酸化工程Ｓ１４で炭酸化することで、リチウムを高回収率で回収することができる。この析出物の洗浄に用いる水は、特に限定されるものではないが、濃縮工程Ｓ１１において発生する凝縮水を利用することが好ましく、これにより、凝縮水の有効利用が可能である。
【0078】
第２ｐＨ調整工程Ｓ３－３では、アルカリの添加により被処理液のｐＨを７以上、好ましくは７以上１３以下、より好ましくは７以上１１以下、さらに好ましくは８以上１０以下の範囲に調整する。これにより、被処理液中のコバルトが水酸化コバルトなどのコバルト塩の結晶として析出する。なお、第２ｐＨ調整工程Ｓ３－３においては、コバルトの他、ニッケルやマンガンなどの有価金属、被処理液に残存する銅などの不純物金属が水酸化物などの無機塩の結晶として析出し、被処理液から除去されていてもよい。ｐＨ調整に用いるアルカリとしては、例えば水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウムなどを用いることができるが、本実施形態では低コストかつ扱いやすい点で水酸化ナトリウムが用いられている。
【0079】
第２ｐＨ調整工程Ｓ３－２において、被処理液のｐＨを調整する方法については特に限定されるものではなく、通常行われている方法を用いることができる。例えば、第２ｐＨ調整槽２Ｂ内で被処理液を攪拌しながら例えば水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリの水溶液を添加する方法を挙げることができる。ｐＨ調整時には、被処理液を例えば３０℃から８０℃の範囲内で一定温度に加温することが好ましい。第２ｐＨ調整工程Ｓ３－３で添加されるアルカリの水溶液のアルカリ濃度は、特に限定されるものではないが、第１ｐＨ調整工程Ｓ３－１で使用したアルカリの水溶液のアルカリ濃度以上であることが好ましく、さらにアルカリ濃度が０．２ｍｏｌ／Ｌ以上であることが好ましい。第２ｐＨ調整工程Ｓ３－３後の被処理液は、固液分離工程Ｓ４に供給される。
【0080】
図５及び図６の実施形態によれば、コバルト及び銅などの不純物金属が溶解した被処理液に対して、第１ｐＨ調整工程Ｓ３－１で被処理液から銅、アルミニウム、鉄などの不純物金属の多くを除去することができる。加えて、アルカリ濃度が１．０ｍｏｌ／Ｌ未満の希薄なアルカリの水溶液で被処理液のｐＨ調整を行うことで、被処理液からコバルトが銅などの不純物金属とともに除去されることを抑制することができるので、第２ｐＨ調整工程Ｓ３－３に供給される被処理液中のコバルトの量を高く維持することができる。よって、その後のコバルトを回収するための２次ｐＨ調整工程Ｓ７において、コバルトを高純度かつ高回収率で回収することができる。
【0081】
さらに、図５及び図６の実施形態によれば、第１ｐＨ調整工程Ｓ３－１においてアルカリ濃度が１．０ｍｏｌ／Ｌ未満の希薄なアルカリの水溶液を使用しているため、その後のリチウムを回収するための炭酸化工程Ｓ１４に供給される被処理液の量が多量となるが、炭酸化工程Ｓ１４前に濃縮工程Ｓ１１において被処理液を蒸発濃縮することで、被処理液の量を減らして被処理液中のリチウム濃度を増加させている。よって、炭酸化工程Ｓ１４において炭酸リチウムの回収率を良好に向上することができる。
【0082】
１次ｐＨ調整工程Ｓ３は、廃リチウムイオン電池に含まれる成分に応じて、３つ以上の工程を含むように構成してもよい。
【0083】
なお、第１ｐＨ調整工程Ｓ３で添加されるアルカリの水溶液のアルカリ濃度について、本発明者は以下の試験を行った。具体的に、以下の表１に示す成分を有する酸性溶液２００ｍｌに対して、アルカリの水溶液を添加することで酸性溶液のｐＨを調整する処理（第１ｐＨ調整工程Ｓ３－１）を行った。添加するアルカリの水溶液としては水酸化リチウム水溶液を使用した。水酸化リチウム水溶液のアルカリ濃度は、０．２ｍｏｌ／Ｌ（実施例１）、０．５ｍｏｌ／Ｌ（実施例２）、１．０ｍｏｌ／Ｌ（実施３）とし、酸性溶液のｐＨが４．７となるように水酸化リチウム水溶液の添加量を調整した。水酸化リチウム水溶液の添加量は、実施例１では４１８．６ｍｌ、実施例２では１６８．５ｍｌ、実施例３では８６．３ｍｌであった。なお、水酸化リチウム水溶液の添加により、酸性溶液中のリチウムの含有量は、実施例１で５８２ｍｇ、実施例２で５８５ｍｇ、実施例３で５９９ｍｇ、さらに増加する。
【0084】
【表1】
【0085】
そして、ｐＨ調整後の酸性溶液をろ紙を用いてろ過し、ろ過により得られたろ液に含まれる各成分の含有量を測定した。その結果を表２に示す。
【0086】
【表2】
【0087】
一方で、ｐＨ調整後の酸性溶液のろ過により得られたろ過残渣の表面状態を確認した。その結果を図７から図９に示す。なお、図７が実施例１を示し、図８が実施例２を示し、図９が実施例３を示している。図９によれば、実施例３ではろ過残渣に水酸化コバルトが含まれていることを目視にて確認できたが、図７及び図８によれば、実施例１，２ではろ過残渣に水酸化コバルトが含まれていることを目視では確認できなかった。
【0088】
以上の結果から、図７から図９によると、酸性溶液に添加するアルカリ水溶液のアルカリ濃度が１．０ｍｏｌ／Ｌの場合には、酸性溶液のｐＨ調整後のろ過残渣に多くのコバルト塩が含まれていることが確認された。また、表２によると、酸性溶液に添加するアルカリ水溶液のアルカリ濃度が１．０ｍｏｌ／Ｌの場合には、ｐＨ調整後の酸性溶液のコバルト回収率が８５％を下回っているのに対して、アルカリ濃度が１．０ｍｏｌ／Ｌ未満の場合には、ｐＨ調整後の酸性溶液のコバルト回収率が８５％以上であり、酸性溶液にコバルトが多く残存していることが確認された。
【0089】
このように、第１ｐＨ調整工程Ｓ３－１で添加するアルカリ水溶液のアルカリ濃度を１．０ｍｏｌ／Ｌ未満とすることで、第１ｐＨ調整工程Ｓ３－１において被処理液からコバルトが不純物金属とともに除去されることを抑制でき、次の第２ｐＨ調整工程３－２に供給される被処理液中のコバルトの含有量を高く維持できることが分かる。
【0090】
なお、コバルトの回収率が１％向上すると、例えば１年間の廃リチウムイオン電池の処理量が１０００ｔであり、廃リチウムイオン電池におけるコバルトの含有率が２０％とすると、コバルトの回収量として１年間で２ｔの差が生じ、コバルトの単価が６，０００円／ｋｇとすれば、１年間で１２，０００，０００円の差が生じる。
【0091】
他の変更例として、図１から図３の実施形態では、濃縮工程Ｓ１１前の被処理液に対してカルシウム及び／又はマグネシウムを少なくとも除去する不純物除去工程Ｓ１０を行っているが、これに代えて又はこれに加えて、電気透析工程Ｓ１７前の無機塩溶液に対して同様にカルシウム及び／又はマグネシウムを少なくとも除去する不純物除去工程を行ってもよい。なお、図５及び図６の実施形態についても同様の変更が可能である。
【0092】
他の変更例として、図１から図３の実施形態において、溶解工程Ｓ１６後で電気透析工程Ｓ１７前に、無機塩溶液に含まれる例えばシリカなどの不純物を除去するための処理工程を行ってもよい。この処理工程は、不純物除去工程Ｓ１０に代えて又は不純物除去工程Ｓ１０に加えて行うことができる。この処理工程の一例としては、無機塩溶液に含まれる無機塩（本実施形態では硫酸ナトリウム）を、蒸発晶析や蒸発濃縮などにより再結晶させた後、無機塩の結晶を含む水溶液から該無機塩の結晶を固液分離して回収する。そして、回収した無機塩の結晶を例えば水を用いて溶解して、無機塩溶液を再度生成する。再度生成された無機塩溶液は、電気透析工程Ｓ１７に供給される。
【0093】
この実施形態では、電気透析工程Ｓ１７前に無機塩溶液に含まれるシリカを除去することにより、電気透析工程Ｓ１７において電気透析される無機溶液中の不純物の量も減るので、バイポーラ膜の性能を高く維持することができる。さらに、電気透析工程Ｓ１７後の希薄な無機塩溶液（脱塩液）を蒸発濃縮装置９に供給して濃縮工程Ｓ１１において再び蒸発濃縮するにあたり、脱塩液の不純物の量が減っていることで、濃縮工程Ｓ１１において、蒸発濃縮装置９の熱交換器の伝熱面にスケールが発生して付着することを抑制することができる。そのうえ、炭酸化工程Ｓ１４後の固液分離工程Ｓ１５により得られる被処理液中の不純物の量が減ることで、固液分離工程Ｓ１５後の被処理液の多くを再度系内に循環することができる。よって、固液分離工程Ｓ１５後の被処理液中に残存するリチウムをより多く回収できるため、リチウムを高回収率で回収することができる。なお、上述したいずれの実施形態についても同様の変更が可能である。
【0094】
他の変更例として、図１から図３の実施形態において、図１０及び図１１に示すように、酸浸出工程Ｓ１前に、廃リチウムイオン電池を焙焼する焙焼工程Ｓ０をさらに含んでいてもよい。焙焼工程Ｓ０において、廃リチウムイオン電池を焙焼する方法については特に限定されるものではなく、公知の焙焼装置１４を用いることができる。
【0095】
図１０及び図１１の実施形態では、焙焼装置１４（焙焼工程Ｓ０）で発生した排気ガスを炭酸化工程Ｓ１４（炭酸化槽１１）に供給し、炭酸化工程Ｓ１４において排気ガスを炭酸ガスとして被処理液に混合している。これにより、炭酸化工程Ｓ１４において使用する炭酸ガスの量を減らすことができる。また、炭酸化工程Ｓ１４において被処理液を加温することができる。なお、上述したいずれの実施形態についても同様の変更が可能である。
【0096】
他の変更例として、図１から図３の実施形態において、不純物除去工程Ｓ１０以後の工程におけるリチウムの回収方法については、特に限定されるものではなく、種々の方法を用いることができる。なお、上述したいずれの実施形態についても同様の変更が可能である。
【0097】
他の変形例として、図１から図３の実施形態では、廃リチウムイオン電池からコバルトを回収する場合を例にしているが、本発明は、廃リチウムイオン電池からコバルトを回収するために用いられる方法には限定されない。なお、上述したいずれの実施形態についても同様の変更が可能である。
【符号の説明】
【0098】
Ｓ０ 焙焼工程
Ｓ１ 酸浸出工程
Ｓ３ １次ｐＨ調整工程
Ｓ３－１ 第１ｐＨ調整工程
Ｓ３－３ 第２ｐＨ調整工程
Ｓ４ 固液分離工程（１次コバルト分離工程）
Ｓ５ 再溶解工程
Ｓ６ 溶媒抽出工程
Ｓ７ ２次ｐＨ調整工程
Ｓ８ 固液分離工程（２次コバルト分離工程）
Ｓ９ 逆抽出工程
Ｓ１１ 濃縮工程
Ｓ１４ 炭酸化工程
Ｓ１５ 固液分離工程（リチウム分離工程）
Ｓ１ 酸浸出工程
Ｓ３ １次ｐＨ調整工程
Ｓ３－１ 第１ｐＨ調整工程
Ｓ３－３ 第２ｐＨ調整工程
Ｓ４ 固液分離工程（１次コバルト分離工程）
Ｓ５ 再溶解工程
Ｓ６ 溶媒抽出工程
Ｓ７ ２次ｐＨ調整工程
Ｓ８ 固液分離工程（２次コバルト分離工程）
Ｓ９ 逆抽出工程
Ｓ１１ 濃縮工程
Ｓ１４ 炭酸化工程
Ｓ１５ 固液分離工程（リチウム分離工程）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】